分子生物學是從分子水平研究生命本質為目的的一門新興邊緣學科，它以核酸和蛋白質等生物大分子的結構及其在遺傳信息和細胞信息傳遞中的作用為研究對象，是當前生命科學中發(fā)展最快并正在與其它學科廣泛交叉與滲透的重要前沿領域。分子生物學的發(fā)展為人類認識生命現(xiàn)象帶來了前所未有的機會，也為人類利用和改造生物創(chuàng)造了極為廣闊的前景。

　　所謂在分子水平上研究生命的本質主要是指對遺傳、生殖、生長和發(fā)育等生命基本特征的分子機理的闡明，從而為利用和改造生物奠定理論基礎和提供新的手段。這里的分子水平指的是那些攜帶遺傳信息的核酸和在遺傳信息傳遞及細胞內、細胞間通訊過程中發(fā)揮著重要作用的蛋白質等生物大分子。這些生物大分子均具有較大的分子量，由簡單的小分子核苷酸或氨基酸排列組合以蘊藏各種信息，并且具有復雜的空間結構以形成精確的相互作用系統(tǒng)，由此構成生物的多樣化和生物個體精確的生長發(fā)育和代謝調節(jié)控制系統(tǒng)。闡明這些復雜的結構及結構與功能的關系是分子生物學的主要任務。

　　發(fā)展歷史：

　　一、準備和醞釀階段

　　19世紀后期到20世紀50年代初，是現(xiàn)代分子生物學誕生的準備和醞釀階段。在這一階段產(chǎn)生了兩點對生命本質的認識上的重大突破：

　　確定了蛋白質是生命的主要基礎物質

　　19世紀末Buchner兄弟證明酵母無細胞提取液能使糖發(fā)酵產(chǎn)生酒精，第一次提出酶(enzyme)的名稱，酶是生物催化劑。20世紀20-40年代提純和結晶了一些酶(包括尿素酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、黃酶、細胞色素C、肌動蛋白等)，證明酶的本質是蛋白質。隨后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)生命的許多基本現(xiàn)象(物質代謝、能量代謝、消化、呼吸、運動等)都與酶和蛋白質相聯(lián)系，可以用提純的酶或蛋白質在體外實驗中重復出來。在此期間對蛋白質結構的認識也有較大的進步。1902年EmilFisher證明蛋白質結構是多肽;40年代末，Sanger創(chuàng)立二硝基氟苯(DNFB)法、Edman發(fā)展異硫氰酸苯酯法分析肽鏈N端氨基酸;1953年Sanger和Thompson完成了第一個多肽分子--胰島素A鏈和B鏈的氨基全序列分析。由于結晶X-線衍射分析技術的發(fā)展，1950年Pauling和Corey提出了α-角蛋白的α-螺旋結構模型。所以在這階段對蛋白質一級結構和空間結構都有了認識。

　　確定了生物遺傳的物質基礎是DNA

　　雖然1868年F.Miescher就發(fā)現(xiàn)了核素(nuclein)，但是在此后的半個多世紀中并未引起重視。20世紀20-30年代已確認自然界有DNA和RNA兩類核酸，并闡明了核苷酸的組成。由于當時對核苷酸和鹼基的定量分析不夠精確，得出DNA中A、G、C、T含量是大致相等的結果，因而曾長期認為DNA結構只是“四核苷酸”單位的重復，不具有多樣性，不能攜帶更多的信息，當時對攜帶遺傳信息的侯選分子更多的是考慮蛋白質。40年代以后實驗的事實使人們對酸的功能和結構兩方面的認識都有了長足的進步。1944年O.T.Avery等證明了肺炎球菌轉化因子是DNA;1952年A.D.Hershey和M.Cha-se用DNA35S和32P分別標記T2噬菌體的蛋白質和核酸，感染大腸桿菌的實驗進一步證明了是遺傳物質。在對DNA結構的研究上，1949-52年S.Furbery等的X-線衍射分析闡明了核苷酸并非平面的空間構像，提出了DNA是螺旋結構;1948-1953年Chargaff等用新的層析和電泳技術分析組成DNA的鹼基和核苷酸量，積累了大量的數(shù)據(jù)，提出了DNA鹼基組成A=T、G=C的Chargaff規(guī)則，為鹼基配對的DNA結構認識打下了基礎。

　　二、現(xiàn)代分子生物學的建立和發(fā)展階段

　　這一階段是從50年代初到70年代初，以1953年Watson和Crick提出的DNA雙螺旋結構模型作為現(xiàn)代分子生物學誕生的里程碑開創(chuàng)了分子遺傳學基本理論建立和發(fā)展的黃金時代。DNA雙螺旋發(fā)現(xiàn)的最深刻意義在于：確立了核酸作為信息分子的結構基礎;提出了鹼基配對是核酸復制、遺傳信息傳遞的基本方式;從而最后確定了核酸是遺傳的物質基礎，為認識核酸與蛋白質的關系及其在生命中的作用打下了最重要的基礎。在此期間的主要進展包括：

　　遺傳信息傳遞中心法則的建立

　　在發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結構同時，Watson和Crick就提出DNA復制的可能模型。其后在1956年A.Kornbery首先發(fā)現(xiàn)DNA聚合酶;1958年Meselson及Stahl用同位素標記和超速離心分離實驗為DNA半保留模型提出了證明;1968年Okazaki(岡畸)提出DNA不連續(xù)復制模型;1972年證實了DNA復制開始需要RNA作為引物;70年代初獲得DNA拓撲異構酶，并對真核DNA聚合酶特性做了分析研究;這些都逐漸完善了對DNA復制機理的認識。

　　在發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結構同時，Watson和Crick就提出DNA復制的可能模型。其后在1956年A.Kornbery首先發(fā)現(xiàn)DNA聚合酶;1958年Meselson及Stahl用同位素標記和超速離心分離實驗為DNA半保留模型提出了證明;1968年Okazaki(岡畸)提出DNA不連續(xù)復制模型;1972年證實了DNA復制開始需要RNA作為引物;70年代初獲得DNA拓撲異構酶，并對真核DNA聚合酶特性做了分析研究;這些都逐漸完善了對DNA復制機理的認識。

　　在研究DNA復制將遺傳信息傳給子代的同時，提出了RNA在遺傳信息傳到蛋白質過程中起著中介作用的假說。1958年Weiss及Hurwitz等發(fā)現(xiàn)依賴于DNA的RNA聚合酶;1961年Hall和Spiege-lman用RNA-DNA雜交證明mRNA與DNA序列互補;逐步闡明了RNA轉錄合成的機理。

　　在此同時認識到蛋白質是接受RNA的遺傳信息而合成的。50年代初Zamecnik等在形態(tài)學和分離的亞細胞組分實驗中已發(fā)現(xiàn)微粒體(microsome)是細胞內蛋白質合成的部位;1957年Hoagland、Zamecnik及Stephenson等分離出tRNA并對它們在合成蛋白質中轉運氨基酸的功能提出了假設;1961年Brenner及Gross等觀察了在蛋白質合成過程中mRNA與核糖體的結合;1965年Holley首次測出了酵母丙氨酸t(yī)RNA的一級結構;特別是在60年代Nirenberg、Ochoa以及Khorana等幾組科學家的共同努力破譯了RNA上編碼合成蛋白質的遺傳密碼，隨后研究表明這套遺傳密碼在生物界具有通用性，從而認識了蛋白質翻譯合成的基本過程。

　　上述重要發(fā)現(xiàn)共同建立了以中心法則為基礎的分子遺傳學基本理論體系。1970年Temin和Baltimore又同時從雞肉瘤病毒顆粒中發(fā)現(xiàn)以RNA為模板合成DNA的反轉錄酶，又進一步補充和完善了遺傳信息傳遞的中心法則。

　　對蛋白質結構與功能的進一步認識

　　1956-58年Anfinsen和White根據(jù)對酶蛋白的變性和復性實驗，提出蛋白質的三維空間結構是由其氨基酸序列來確定的。1958年Ingram證明正常的血紅蛋白與鐮刀狀細胞溶血癥病人的血紅蛋白之間，亞基的肽鏈上僅有一個氨基酸殘基的差別，使人們對蛋白質一級結構影響功能有了深刻的印象。與此同時，對蛋白質研究的手段也有改進，1969年Weber開始應用SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳測定蛋白質分子量;60年代先后分析得血紅蛋白、核糖核酸酶A等一批蛋白質的一級結構;1973年氨基酸序列自動測定儀問世。中國科學家在1965年人工合成了牛胰島素;在1973年用1.8AX-線衍射分析法測定了牛胰島素的空間結構，為認識蛋白質的結構做出了重要貢

　　獻。

　　三、初步認識生命本質并開始改造生命的深入發(fā)展階段

　　70年代后，以基因工程技術的出現(xiàn)作為新的里程碑，標志著人類深入認識生命本質并能動改造生命的新時期開始。其間的重大成就包括：

　　1.重組DNA技術的建立和發(fā)展

　　分子生物學理論和技術發(fā)展的積累使得基因工程技術的出現(xiàn)成為必然。1967-1970年R.Yuan和H.O.Smith等發(fā)現(xiàn)的限制性核酸內切酶為基因工程提供了有力的工具;　1972年Berg等將SV-40病毒DNA與噬菌體P22DNA在體外重組成功，轉化大腸桿菌，使本來在真核細胞中合成的蛋白質能在細菌中合成,打破了種屬界限;1977年Boyer等首先將人工合成的生長激素釋放抑制因子14肽的基因重組入質粒，成功地在大腸桿菌中合成得到這14肽;1978年Itakura(板倉)等使人生長激素191肽在大腸桿菌中表達成功;1979年美國基因技術公司用人工合成的人胰島素基因重組轉入大腸桿菌中合成人胰島素。至今我國已有人干擾素、人白介素2、人集落刺激因子、重組人乙型肝炎疫苗、基因工程幼畜腹瀉疫苗等多種基因工程藥物和疫苗進入生產(chǎn)或臨床試用，世界上還有幾百種基因工程藥物及其它基因工程產(chǎn)品在研制中，成為當今農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥業(yè)發(fā)展的重要方向，將對醫(yī)學和工農(nóng)業(yè)發(fā)展作出新貢獻。

　　轉基因動植物和基因剔除動植物的成功是基因工程技術發(fā)展的結果。1982年Palmiter等將克隆的生長激素基因導入小鼠受精卵細胞核內，培育得到比原小鼠個體大幾倍的“巨鼠”，激起了人們創(chuàng)造優(yōu)良品系家畜的熱情。我國水生生物研究所將生長激素基因轉入魚受精卵，得到的轉基因魚的生長顯著加快、個體增大;轉基因豬也正在研制中。用轉基因動物還能獲取治療人類疾病的重要蛋白質，導入了凝血因子Ⅸ基因的轉基因綿羊分泌的乳汁中含有豐富的凝血因子Ⅸ，能有效地用于血友病的治療。在轉基因植物方面，1994年能比普通西紅柿保鮮時間更長的轉基因西紅柿投放市場，1996年轉基因玉米、轉基因大豆相繼投入商品生產(chǎn)，美國最早研制得到抗蟲棉花，我國科學家將自己發(fā)現(xiàn)的蛋白酶抑制劑基因轉入棉花獲得抗棉鈴蟲的棉花株。到1996年全世界已有250萬公頃土地種植轉基因植物。

　　基因診斷與基因治療是基因工程在醫(yī)學領域發(fā)展的一個重要方面。1991年美國向一患先天性免疫缺陷病(遺傳性腺苷脫氨酶ADA基因缺陷)的女孩體內導入重組的ADA基因，獲得成功。我國也在1994年用導入人凝血因子Ⅸ基因的方法成功治療了乙型血友病的患者。在我國用作基因診斷的試劑盒已有近百種之多。基因診斷和基因治療正在發(fā)展之中。

　　這時期基因工程的迅速進步得益于許多分子生物學新技術的不斷涌現(xiàn)。包括：核酸的化學合成從手工發(fā)展到全自動合成，1975-1977年Sanger、Maxam和Gilbert先后發(fā)明了三種DNA序列的快速測定法;90年代全自動核酸序列測定儀的問世;1985年Cetus公司Mullis等發(fā)明的聚合酶鏈式反應(PCR)的特定核酸序列擴增技術，更以其高靈敏度和特異性被廣泛應用，對分子生物學的發(fā)展起到了重大的推動作用。

　　2.基因組研究的發(fā)展

　　目前分子生物學已經(jīng)從研究單個基因發(fā)展到研究生物整個基因組的結構與功能。1977年Sanger測定了ΦX174-DNA全部5375個核苷酸的序列;1978年Fiers等測出SV-40DNA全部5224對鹼基序列;80年代λ噬菌體DNA全部48,502鹼基對的序列全部測出;一些小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等基因組的全序列也陸續(xù)被測定;1996年底許多科學家共同努力測出了大腸桿菌基因組DNA的全序列長4x106鹼基對。測定一個生物基因組核酸的全序列無疑對理解這一生物的生命信息及其功能有極大的意義。1990年人類基因組計劃(HumanGenomeProject)開始實施，這是生命科學領域有史以來全球性最龐大的研究計劃，將在2005年時測定出人基因組全部DNA3x109鹼基對的序列、確定人類約5-10萬個基因的一級結構，這將使人類能夠更好掌握自己的命運。

　　3.單克隆抗體及基因工程抗體的建立和發(fā)展

　　1975年Kohler和Milstein首次用B淋巴細胞雜交瘤技術制備出單克隆抗體以來，人們利用這一細胞工程技術研制出多種單克隆抗體，為許多疾病的診斷和治療提供了有效的手段。80年代以后隨著基因工程抗體技術而相繼出現(xiàn)的單域抗體、單鏈抗體、嵌合抗體、重構抗體、雙功能抗體等為廣泛和有效的應用單克隆抗體提供了廣闊的前景。

　　4.基因表達調控機理

　　分子遺傳學基本理論建立者Jacob和Monod最早提出的操縱元學說打開了人類認識基因表達調控的窗口，在分子遺傳學基本理論建立的60年代，人們主要認識了原核生物基因表達調控的一些規(guī)律，70年代以后才逐漸認識了真核基因組結構和調控的復雜性。1977年最先發(fā)現(xiàn)猴SV40病毒和腺病毒中編碼蛋白質的基因序列是不連續(xù)的，這種基因內部的間隔區(qū)(內含子)在真核基因組中是普遍存在的，揭開了認識真核基因組結構和調控的序幕。1981年Cech等發(fā)現(xiàn)四膜蟲rRNA的自我剪接，從而發(fā)現(xiàn)核酶(ribozyme)。80-90年代，使人們逐步認識到真核基因的順式調控元件與反式轉錄因子、核酸與蛋白質間的分子識別與相互作用是基因表達調控根本所在。

　　分子遺傳學基本理論建立者Jacob和Monod最早提出的操縱元學說打開了人類認識基因表達調控的窗口，在分子遺傳學基本理論建立的60年代，人們主要認識了原核生物基因表達調控的一些規(guī)律，70年代以后才逐漸認識了真核基因組結構和調控的復雜性。1977年最先發(fā)現(xiàn)猴SV40病毒和腺病毒中編碼蛋白質的基因序列是不連續(xù)的，這種基因內部的間隔區(qū)(內含子)在真核基因組中是普遍存在的，揭開了認識真核基因組結構和調控的序幕。1981年Cech等發(fā)現(xiàn)四膜蟲rRNA的自我剪接，從而發(fā)現(xiàn)核酶(ribozyme)。80-90年代，使人們逐步認識到真核基因的順式調控元件與反式轉錄因子、核酸與蛋白質間的分子識別與相互作用是基因表達調控根本所在。

　　5.細胞信號轉導機理研究成為新的前沿領域

　　細胞信號轉導機理的研究可以追述至50年代。Sutherland1957年發(fā)現(xiàn)cAMP、1965年提出第二信使學說，是人們認識受體介導的細胞信號轉導的第一個里程碑。1977年Ross等用重組實驗證實G蛋白的存在和功能，將G蛋白與腺苷環(huán)化酶的作用相聯(lián)系起來，深化了對G蛋白偶聯(lián)信號轉導途徑的認識。70年代中期以后，癌基因和抑癌基因的發(fā)現(xiàn)、蛋白酪氨酸激酶的發(fā)現(xiàn)及其結構與功能的深入研究、各種受體蛋白基因的克隆和結構功能的探索等，使近10年來細胞信號轉導的研究更有了長足的進步。目前，對于某些細胞中的一些信號轉導途徑已經(jīng)有了初步的認識，尤其是在免疫活性細胞對抗原的識別及其活化信號的傳遞途徑方面和細胞增殖控制方面等都形成了一些基本的概念，當然要達到最終目標還需相當長時間的努力。

　　以上簡要介紹了分子生物學的發(fā)展過程，可以看到在近半個世紀中它是生命科學范圍發(fā)展最為迅速的一個前沿領域，推動著整個生命科學的發(fā)展。至今分子生物學仍在迅速發(fā)展中，新成果、新技術不斷涌現(xiàn)，這也從另一方面說明分子生物學發(fā)展還處在初級階段。分子生物學已建立的基本規(guī)律給人們認識生命的本質指出了光明的前景，但分子生物學的歷史還短，積累的資料還不夠，例如：在地球上千姿萬態(tài)的生物攜帶龐大的生命信息，迄今人類所了解的只是極少的一部分，還未認識核酸、蛋白質組成生命的許多基本規(guī)律;又如即使到2005年我們已經(jīng)獲得人類基因組DNA3x109bp的全序列，確定了人的5-10萬個基因的一級結構，但是要徹底搞清楚這些基因產(chǎn)物的功能、調控、基因間的相互關系和協(xié)調，要理解80%以上不為蛋白質編碼的序列的作用等等，都還要經(jīng)歷漫長的研究道路�？梢哉f分子生物學的發(fā)展前景光輝燦爛，道路還會艱難曲折。

　　分子生物學主要包含以下三部分研究內容：

　　1.核酸的分子生物學

　　核酸的分子生物學研究核酸的結構及其功能。由于核酸的主要作用是攜帶和傳遞遺傳信息，因此分子遺傳學(moleculargenetics)是其主要組成部分。由于50年代以來的迅速發(fā)展，該領域已形成了比較完整的理論體系和研究技術，是目前分子生物學內容最豐富的一個領域。研究內容包括核酸/基因組的結構、遺傳信息的復制、轉錄與翻譯，核酸存儲的信息修復與突變，基因表達調控和基因工程技術的發(fā)展和應用等。遺傳信息傳遞的中心法則(centraldogma)是其理論體系的核心。

　　2.蛋白質的分子生物學

　　蛋白質的分子生物學研究執(zhí)行各種生命功能的主要大分子──蛋白質的結構與功能。盡管人類對蛋白質的研究比對核酸研究的歷史要長得多，但由于其研究難度較大，與核酸分子生物學相比發(fā)展較慢。近年來雖然在認識蛋白質的結構及其與功能關系方面取得了一些進展，但是對其基本規(guī)律的認識尚缺乏突破性的進展。

　　3.細胞信號轉導的分子生物學

　　細胞信號轉導的分子生物學研究細胞內、細胞間信息傳遞的分子基礎。構成生物體的每一個細胞的分裂與分化及其它各種功能的完成均依賴于外界環(huán)境所賦予的各種指示信號。在這些外源信號的刺激下，細胞可以將這些信號轉變?yōu)橐幌盗械纳�物化學變化，例如蛋白質構象的轉變、蛋白質分子的磷酸化以及蛋白與蛋白相互作用的變化等，從而使其增殖、分化及分泌狀態(tài)等發(fā)生改變以適應內外環(huán)境的需要。信號轉導研究的目標是闡明這些變化的分子機理，明確每一種信號轉導與傳遞的途徑及參與該途徑的所有分子的作用和調節(jié)方式以及認識各種途徑間的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。信號轉導機理的研究在理論和技術方面與上述核酸及蛋白質分子有著緊密的聯(lián)系，是當前分子生物學發(fā)展最迅速的領域之一。

　　與其他學科的關系

　　分子生物學是由生物化學、生物物理學、遺傳學、微生物學、細胞學、以至信息科學等多學科相互滲透、綜合融會而產(chǎn)生并發(fā)展起來的，凝聚了不同學科專長的科學家的共同努力。它雖產(chǎn)生于上述各個學科，但已形成它獨特的理論體系和研究手段，成為一個獨立的學科。

　　生物化學與分子生物學關系最為密切。兩者同在我國教委和科委頒布的一個二級學科中，稱為“生物化學與分子生物學”，但兩者還是有區(qū)別的。生物化學是從化學角度研究生命現(xiàn)象的科學，它著重研究生物體內各種生物分子的結構、轉變與新陳代謝。傳統(tǒng)生物化學的中心內容是代謝，包括糖、脂類、氨基酸、核苷酸、以及能量代謝等與生理功能的聯(lián)系。分子生物學則著重闡明生命的本質----主要研究生物大分子核酸與蛋白質的結構與功能、生命信息的傳遞和調控�！秶�際生物化學學會》和　《中國生物化學學會》現(xiàn)均已改名為《國際生物化學與分子生物學學會》和《中國生物化學與分子生物學學會》。

　　細胞生物學與分子生物學關系也十分密切。傳統(tǒng)的細胞生物學主要研究細胞和亞細胞器的形態(tài)、結構與功能。細胞作為生物體基本的構成單位是由許多分子組成的復雜體系，光學顯微鏡和電子顯微鏡下所見到的規(guī)則結構是各種分子有序結合而形成的。探討組成細胞的分子結構比單純觀察大體結構能更加深入認識細胞的結構與功能，因此現(xiàn)代細胞生物學的發(fā)展越來越多地應用分子生物學的理論和方法。分子生物學則是從研究各個生物大分子的結構入手，但各個分子不能孤立發(fā)揮作用，生命絕非組成成分的隨意加和或混合，分子生物學還需要進一步研究各生物分子間的高層次組織和相互作用，尤其是細胞整體反應的分子機理，這在某種程度上是向細胞生物學的靠攏。分子細胞學或細胞分子生物學就因此而產(chǎn)生，成為人們認識生命的基礎。

　　由于分子生物學涉及認識生命的本質，它也就自然廣泛的滲透到醫(yī)學各學科領域中，成為現(xiàn)代醫(yī)學重要的基礎。在醫(yī)學各個學科中，包括生理學、微生物學、免疫學、病理學、藥理學以及臨床各學科分子生物學都正在廣泛地形成交叉與滲透，形成了一些交叉學科，如分子免疫學、分子病毒學、分子病理學和分子藥理學等，大大促進了醫(yī)學的發(fā)展。